CN102981049A - 一种用于微电网系统的频率检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微电网系统的频率检测方法，本方法包括以下几个方面：(1)首先对微电网电压进行数据采样，每个周期采样点数为N，取样时间长度为T；(2)根据额定电压和采样频率设定三个电压阈值；(3)根据电压阈值，用逻辑判断的方法求其取样时间内的电压周期个数，并分别计算出在三个电压阈值下的初始频率；(4)对初始频率进行分析判断，剔除因波形畸变而产生误差较大的频率，从而求出精确的电网频率值。本算法简便，易于实现，精确度较高。

Description

一种用于微电网系统的频率检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于微电网系统的频率检测方法，属于电力系统电能质量测量技术领域。

背景技术

社会的发展和科技的进步使人们对电力的需求日益增大，而传统能源短缺和对环境保护的迫切要求促使电力行业在扩大完善原有的大电网集中供电的同时，不断开发新能源，提高可再生能源的利用率，形成了大电网与分布式发电相结合的新型供电模式。

分布式发电供能是指利用各种可用的分散存在的能源，包括可再生能源(太阳能、风能等)和本地可方便获取的化石类燃料进行发电供能，是分布式能源(DG)最清洁、最高效的利用方式。采用分布式发电供能技术，有助于充分利用各地丰富的清洁和可再生能源，向用户提供“绿色电力”，是实现我国“节能减排”目标的重要举措。

微型电网是由常规电源(燃气轮机、微型燃气轮机、内燃机等发电机组)、可再生能源发电(光伏、风电)、储能装置、负荷及可控负荷、电能补偿装置及能量控制与管理系统组成的自治管理的小型发配电系统，能实现并网协调运行和孤岛自治运行。微型电网技术是实现多种分布式电源整合到配电网的有效途径。

在微电网中，由于光伏、风电的输出功率间歇性、随机性和波动性等特征，而且分布式电源、储能元件、补偿装置等大多采用电力电子功率变换装置，用户侧大量的基于电力电子变换的负荷设备，这都会引起电网的电压波形畸变、频率偏差、电压波动、闪变和三相不平衡等问题，严重时将会影响微电网乃至配电网的电能质量。因此，能够快速较准确的分析出微电网的电能质量，提供较可靠的电能质量数据，对于微电网并网和孤岛运行具有重要意义。

频率是电能质量最重要的指标之一。系统负荷特别是一些精密仪器的工作对频率的要求非常严格。要保证负荷的正常运行和减小微电网并网对大电网的冲击，必须加强对微电网运行频率的监控，频率在线检测十分必要。

目前常用的电网频率测量方法是采用基波过零检测的周期法。即通过检测电网的电压两个过零点之间的时间并由此计算得到当前的电网频率，可以采用硬件过零点检测法或者由锁相环检测电网电压零点，其中锁相环技术是较常用的检测方法。但因硬件电路容易受干扰而使过零点产生偏移造成检测的误差，当因电压波动、闪变、谐波等影响，其电压波形发生畸变，会产生较大的检测误差。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明的目的是提供一种适用于微网系统简便而准确的频率检测方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种用于微电网系统的频率检测方法，其特征是(1)首先对微电网电压进行数据采样，每个周期采样点数为N，取样时间长度为T；(2)根据额定电压和采样频率设定三个电压阈值；(3)根据电压阈值，用逻辑判断的方法求其取样时间内的电压周期个数，并分别计算出在3个电压阈值下的初始频率；(4)对初始频率进行分析判断，剔除因波形畸变而产生误差较大的频率，从而求出精确的电网频率值。

作为一种改进，所述三个电压阈值分别为 $U_{\mathrm{th}1}=\sqrt{2}U\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{N}),$ $U_{\mathrm{th}2}=\frac{\sqrt{2}}{2}U,$ U_th3＝0。

作为一种改进，所述步骤(3)根据电压阈值，用逻辑判断的方法求其取样时间内的电压周期个数，并分别计算出在3个电压阈值下的初始频率；包括以下分步骤：

①依据阈值，先对电压正半波进行判断，当瞬时电压大于等于阈值时，设逻辑值为“1”，小于阈值时，则设逻辑值为“0”，这样在一个采样时间长度T内，组成一个只有0和1的数列，以3个电压阈值所检测判断获得的数列分别记为A₁，A₂和A₃；

②在电压负半波再次对采样数据进行逻辑判断，当瞬时电压小于等于负电压阈值则为“1”，大于阈值则为“0”，由3个负电压阈值所检测判断后得到的状态组成的数列为B₁，B₂和B₃；

③统计周期数，分别对数列A₁和B₁，A₂和B₂，A₃和B₃进行求和运算，依次统计数列中逻辑值为“1”的个数，若数列中有相邻为“1”的逻辑值，只计一个“1”，相当于一个周期内只有一个逻辑值为“1”，所求的和即为采样时间长度内电网电压的周期个数，所求和分别记为S_a1和S_b1，S_a2和S_b2，S_a3和S_b3；

④计算初始频率， $f_{10}=\frac{S_{a1}+S_{b1}}{2T},$ $f_{20}=\frac{S_{a2}+S_{b2}}{2T},$ $f_{30}=\frac{S_{a3}+S_{b3}}{2T}.$

作为一种改进，其特征是所述步骤④对初始频率进行分析判断，剔除因波形畸变而产生误差较大的频率，从而求出精确的电网频率值；具体步骤为：比较f₁₀，f₂₀，f₃₀的大小关系，若他们之间任意两个差的绝对值小于等于ε，则认为他们大小基本相等，若大于ε则认为他们不相等，则按以下处理：

(1)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε(即f₁₀≈f₂₀≈f₃₀)，则f＝(f₁₀+f₂₀+f₃₀)/3；

(2)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₁₀≈f₃₀≠f₂₀)，则f＝(f₁₀+f₃₀)/2；

(3)若|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₂₀≈f₃₀≠f₁₀)，则f＝(f₂₀+f₃₀)/2。

(4)若|f₁₀-f₃₀|＞ε且|f₂₀-f₃₀|＞ε；则调整阈值

再次计算f₃₀，并记为f′₃₀，

将f′₃₀作为相对参考频率，分以下两种情况计算综合频率：

1)若|f₃₀-f′₃₀|≤ε且{|f₁₀-f′₃₀|＞ε且|f₂₀-f′₃₀|＞ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε}(即f₃₀≈f′₃₀，f₁₀≠f₂₀≠f′₃₀)；则f＝(f₃₀+f′₃₀)/2；

2)若|f₃₀-f′₃₀|＞ε且{|f₁₀-f′₃₀|≤ε且|f₂₀-f′₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε}(即f₃₀≠f′₃₀，f₁₀≈f₂₀≈f′₃₀)；则f＝(f₁₀+f₂₀+f′₃₀)/3；

若U_th3调整后，不能满足1)和2)的情况，可以推断被检测的电压波形严重畸变，无法进行计算。需要对下一个采样时间长度内的数据进行分析计算。

这里的ε取值参考《电能质量电力系统频率允许偏差》(GB/T 15945-1995)，可取ε为0.2～0.5。

本发明具有显著优点：本发明涉及到的算法简单，易于实现；由于采用了利用正负半波进行两次求频率计算，所求频率更为精确；由于设置了多个电压阈值比较检测，在大多数的电压波形畸变情况，仍然能够准确测出频率；对电压数据采样硬件要求不高，可以作为频率检测软件嵌入微电网系统的电能质量在线监控系统，计算分析速度快、占用计算资源少、节约成本。

附图说明

图1是本发明一种用于微电网系统的频率检测方法的算法流程图。

图2是电压瞬变的电压波形图。

图3是连续的电压瞬变的电压波形图。

图4是电压瞬变的电压波形图。

图5是电压暂降的电压波形图。

图6是含有高次谐波的电压波形图。

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4、图5、图6，对微电网系统频率检测方法作详细说明。应该强调的是，下述说明仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。

(1)数据采集装置采集电网电压瞬时值U(t)，在电网电压一个周期内的采样次数为N次，取数据采样时间长度为T(一般为10秒)，对于频率为50Hz的电网采样频率为 $f_1=50N;$

(2)设置3个参考阈值U_th1，U_th2，U_th3，，设电网额定电压为U(t)，一个周期内取样点数为N，则在电压波形没有畸变的一个周期内必有取样电压瞬时值大于或等于

则取 $U_{\mathrm{th}1}=\sqrt{2}U\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{N}),$ 电压波形的中间值为则取 $U_{\mathrm{th}2}=\frac{\sqrt{2}}{2}U,$ 电压波形过零点处瞬时电压为0，则取U_th3＝0；

(3)依据阈值，先对电压正半波进行判断，设c₁＝U_th1≤U(t)，则c₁＝0或1，即当瞬时电压大于等于阈值时，逻辑值为“1”，小于阈值时，则逻辑值为“0”；同样，设c₂＝U_th2≤U(t)，则c₂＝0或1；设c₃＝U_th3≤U(t)，则c₃＝0或1；在采样时间长度T内，由c₁，c₂，c₃的值分别组成三个数列记为A₁，A₂和A₃；

(4)在电压负半波再次对采样数据进行逻辑判断，当瞬时电压小于等于负电压阈值则为“1”，大于阈值则为“0”，由3个负电压阈值所检测判断后得到的状态组成的数列为B₁，B₂和B₃；

(5)统计周期数，分别对数列A₁和B₁，A₂和B₂，A₃和B₃进行求和运算，依次统计数列中逻辑值为“1”的个数，若数列中有相邻为“1”的逻辑值，只计一个“1”，相当于一个周期内只有一个逻辑值为“1”，所求的和即为采样时间长度内电网电压的周期个数，所求和分别记为S_a1和S_b1，S_a2和S_b2，S_a3和S_b3；

(6)计算初始频率， $f_{10}=\frac{S_{a1}+S_{b1}}{2T},$ $f_{20}=\frac{S_{a2}+S_{b2}}{2T},$ $f_{30}=\frac{S_{a3}+S_{b3}}{2T};$

(7)计算综合频率：比较f₁₀，f₂₀，f₃₀，若任意两个初始频率之差的绝对值小于等于ε，则认为他们大小基本相等，若大于ε则认为他们不相等，这里的ε取值参考《电能质量电力系统频率允许偏差》(GB/T 15945-1995)，可取ε为0.2～0.5。因f₃₀是取阈值U_th3＝0时的初始频率，假设电压波形在过零点畸变不显著时，f₃₀的准确性较高，可将其作为相对参考频率。综合频率计算步骤如下：

(1)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε(即f₁₀≈f₂₀≈f₃₀)，则f＝(f₁₀+f₂₀+f₃₀)/3；

(2)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₁₀≈f₃₀≠f₂₀)，则f＝(f₁₀+f₃₀)/2；

(3)若|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₂₀≈f₃₀≠f₁₀)，则f＝(f₂₀+f₃₀)/2。

(4)若|f₁₀-f₃₀|＞ε且|f₂₀-f₃₀|＞ε；则调整阈值

再次计算f₃₀，并记为f′₃₀，将f′₃₀作为相对参考频率，分以下两种情况计算综合频率：

1)若|f₃₀-f′₃₀|≤ε且{|f₁₀-f′₃₀|＞ε且|f₂₀-f′₃₀|＞ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε}(即f₃₀≈f′₃₀，f₁₀≠f₂₀≠f′₃₀)；则f＝(f₃₀+f′₃₀)/2；

2)若|f₃₀-f′₃₀|＞ε且{|f₁₀-f′₃₀|≤ε且|f₂₀-f′₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε}(即f₃₀≠f′₃₀，f₁₀≈f₂₀≈f′₃₀)；则f＝(f₁₀+f₂₀+f′₃₀)/3；

若U_th3调整后，不能满足1)和2)的情况，可以推断被检测的电压波形严重畸变，无法进行计算。需要对下一个采样时间长度内的数据进行分析计算。

该方法用于微电网的电能质量在线监控，电压采样数据是通过数据采集和数据传输装置在线采集和实时传输，可以方便利用采样时间长度内数据的进行分析计算。现以电压瞬变、连续的电压瞬变、电压暂降、含有高次谐波时，介绍本方法的适用性。

a、电压瞬变的电压波形如图2，若本方法确定的三个电压阈值U_th1、U_th2、U_th3均为测试有效，电压波形可检测，初始频率为f₁₀≈f₂₀≈f₃₀，则综合频率为f＝(f₁₀+f₂₀+f₃₀)/3。

b、连续的电压瞬变的电压波形如图3所示，若初始频率f₁₀≈f₃₀≠f₂₀，即波形中部电压瞬变，导致被测电压在阈值U_th2上下波动，使得f₂₀误差较大，但f₁₀和f₃₀较准确，则综合频率为f＝(f₁₀+f₃₀)/2。

c、电压瞬变的电压波形如图4，由电压阈值U_th1、U_th2、U_th3测试后，则有f₁₀，f₂₀都与f₃₀有较大差别，且f₁₀，f₂₀相差较大，则重新设定阈值计算频率f′₃₀，若有f₃₀≈f′₃₀，则计算综合频率f＝(f₃₀+f′₃₀)/2。

d、电压暂降的电压波形如图5所示，由电压阈值U_th1、U_th2、U_th3测试后，则有f₂₀≈f₃₀≠f₁₀，f₁₀误差较大，f₂₀和f₃₀是准确的，则计算综合频率为f＝(f₂₀+f₃₀)/2。

e、含有高次谐波(除基波外，叠加了3、5、7、9、11、13、15次谐波)的电压波形如图6所示，显然由电压阈值U_th1、U_th2、U_th3测试后，则有f₁₀≈f₂₀，f₃₀误差较大，则重新设定阈值

计算频率f′₃₀，则把f′₃₀与f₁₀，f₂₀再比较进行判断，有f₁₀≈f₂₀≈f′₃₀，则f＝(f₁₀+f₂₀+f′₃₀)/3。

Claims (5)

1.一种用于微电网系统的频率检测方法，其特征包括以下步骤：(1)首先对微电网电压进行数据采样，每个周期采样点数为N，取样时间长度为T；(2)根据额定电压和采样频率设定三个电压阈值；(3)根据电压阈值，用逻辑判断的方法求其取样时间内的电压周期个数，并分别计算出在3个电压阈值下的初始频率；(4)对初始频率进行分析判断，剔除因波形畸变而产生误差较大的频率，从而求出精确的电网频率值。

2.根据权利要求1所述的用于微电网系统的频率检测方法，其特征是所述三个电压阈值分别为 $U_{\mathrm{th}1}=\sqrt{2}U\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{2\mathrm{\π}}{N}),$ $U_{\mathrm{th}2}=\frac{\sqrt{2}}{2}U,$ U_th3＝0。

3.根据权利要求1或2所述的用于微电网系统的频率检测方法，其特征是所述步骤(3)根据电压阈值，用逻辑判断的方法求其取样时间内的电压周期个数，并分别计算出在3个电压阈值下的初始频率；包括以下分步骤：

①依据阈值，先对电压正半波进行判断，当瞬时电压大于等于阈值时，设逻辑值为“1”，小于阈值时，则设逻辑值为“0”，这样在一个采样时间长度T内，组成一个只有0和1的数列，以3个电压阈值所检测判断获得的数列分别记为A₁，A₂和A₃；

②在电压负半波再次对采样数据进行逻辑判断，当瞬时电压小于等于负电压阈值则为“1”，大于阈值则为“0”，由3个负电压阈值所检测判断后得到的状态组成的数列为B₁，B₂和B₃；

③统计周期数，分别对数列A₁和B₁，A₂和B₂，A₃和B₃进行求和运算，依次统计数列中逻辑值为“1”的个数，若数列中有相邻为“1”的逻辑值，只计一个“1”，相当于一个周期内只有一个逻辑值为“1”，所求的和即为采样时间长度内电网电压的周期个数，所求和分别记为S_a1和S_b1，S_a2和S_b2，S_a3和S_b3；

④计算初始频率， $f_{10}=\frac{S_{a1}+S_{b1}}{2T},$ $f_{20}=\frac{S_{a2}+S_{b2}}{2T},$ $f_{30}=\frac{S_{a3}+S_{b3}}{2T}.$

4.根据权利要求1或2所述的用于微电网系统的频率检测方法，其特征是所述步骤④对初始频率进行分析判断，剔除因波形畸变而产生误差较大的频率，从而求出精确的电网频率值；具体步骤为：比较f₁₀，f₂₀，f₃₀的大小关系，若他们之间任意两个差的绝对值小于等于ε，则认为他们大小基本相等，若大于ε则认为他们不相等，则按以下处理：

(1)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε(即f₁₀≈f₂₀≈f₃₀)，则f＝(f₁₀+f₂₀+f₃₀)/3；

(2)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₁₀≈f₃₀≠f₂₀)，则f＝(f₁₀+f₃₀)/2；

(3)若|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₂₀≈f₃₀≠f₁₀)，则f＝(f₂₀+f₃₀)/2。

(4)若|f₁₀-f₃₀|＞ε且|f₂₀-f₃₀|＞ε；则调整阈值再次计算f₃₀，并记为f′₃₀，将f′₃₀作为相对参考频率，分以下两种情况计算综合频率：

1)若|f₃₀-f′₃₀|≤ε且{|f₁₀-f′₃₀|＞ε且|f₂₀-f′₃₀|＞ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε}(即f₃₀≈f′₃₀，f₁₀≠f₂₀≠f′₃₀)；则f＝(f₃₀+f′₃₀)/2；

2)若|f₃₀-f′₃₀|＞ε且{|f₁₀-f′₃₀|≤ε且|f₂₀-f′₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε}(即f₃₀≠f′₃₀，f₁₀≈f₂₀≈f′₃₀)；则f＝(f₁₀+f₂₀+f′₃₀)/3；

若U_th3调整后，不能满足1)和2)的情况，可以推断被检测的电压波形严重畸变，无法进行计算。需要对下一个采样时间长度内的数据进行分析计算。

这里的ε取值参考《电能质量电力系统频率允许偏差》(GB/T 15945-1995)，可取ε为0.2～0.5。

5.根据权利要求3所述的用于微电网系统的频率检测方法，其特征是所述步骤④对初始频率进行分析判断，剔除因波形畸变而产生误差较大的频率，从而求出精确的电网频率值；具体步骤为：比较f₁₀，f₂₀，f₃₀的大小关系，若他们之间任意两个差的绝对值小于等于ε，则认为他们大小基本相等，若大于ε则认为他们不相等，则按以下处理：

(5)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε(即f₁₀≈f₂₀≈f₃₀)，则f＝(f₁₀+f₂₀+f₃₀)/3；

(6)若|f₁₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₁₀≈f₃₀≠f₂₀)，则f＝(f₁₀+f₃₀)/2；

(7)若|f₂₀-f₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε(即f₂₀≈f₃₀≠f₁₀)，则f＝(f₂₀+f₃₀)/2。

(8)若|f₁₀-f₃₀|＞ε且|f₂₀-f₃₀|＞ε；则调整阈值

再次计算f₃₀，并记为f′₃₀，将f′₃₀作为相对参考频率，分以下两种情况计算综合频率：

3)若|f₃₀-f′₃₀|≤ε且{|f₁₀-f′₃₀|＞ε且|f₂₀-f′₃₀|＞ε且|f₁₀-f₂₀|＞ε}(即f₃₀≈f′₃₀，f₁₀≠f₂₀≠f′₃₀)；则f＝(f₃₀+f′₃₀)/2；

4)若|f₃₀-f′₃₀|＞ε且{|f₁₀-f′₃₀|≤ε且|f₂₀-f′₃₀|≤ε且|f₁₀-f₂₀|≤ε}(即f₃₀≠f′₃₀，f₁₀≈f₂₀≈f′₃₀)；则f＝(f₁₀+f₂₀+f′₃₀)/3；

若U_th3调整后，不能满足1)和2)的情况，可以推断被检测的电压波形严重畸变，无法进行计算。需要对下一个采样时间长度内的数据进行分析计算。

这里的ε取值参考《电能质量电力系统频率允许偏差》(GB/T 15945-1995)，可取ε为0.2～0.5。

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